مواد جديدة، فيزياء قديمة – العلم الذي يكمن وراء الكيفية التي تحافظ بها سترتك الشتوية على الدفء

مع ازدياد برودة الطقس هذا الشتاء، قد تكون واحدًا من العديد من الأمريكيين الذين يخرجون ستراتهم الشتوية من الخزانة. لا يمكن لهذه الطبقة الإضافية أن تبقيك دافئًا في يوم بارد فحسب، بل إن السترات الشتوية الحديثة هي أيضًا شهادة على الفيزياء القديمة وعلوم المواد المتطورة.

تحافظ السترات الشتوية على دفئك من خلال التحكم في الحرارة من خلال الأوضاع الكلاسيكية الثلاثة لنقل الحرارة – التوصيل والحمل الحراري والإشعاع – كل ذلك مع الحفاظ على قابلية التنفس حتى يتمكن العرق من الهروب.

لقد كانت الفيزياء موجودة منذ قرون، إلا أن الابتكارات المادية الحديثة تمثل قفزة إلى الأمام جعلت تلك المبادئ تتألق.

العلم القديم بتوهج جديد

أحيانًا ما يرى الفيزيائيون مثلنا الذين يدرسون انتقال الحرارة أن العلوم الحرارية “مستقرة”. وصف إسحاق نيوتن التبريد بالحمل الحراري لأول مرة، وهو فقدان الحرارة الناتج عن حركة السوائل التي تجرف الطاقة الحرارية بعيدًا عن السطح، في أوائل القرن الثامن عشر. ثم وضعت النظرية التحليلية للحرارة التي وضعها جوزيف فورييه عام 1822 التوصيل – نقل الطاقة الحرارية من خلال الاتصال الجسدي المباشر – على أساس رياضي.

إن العمل الذي قام به جوزيف ستيفان ولودفيج بولتزمان في أواخر القرن التاسع عشر، والذي أعقبه عمل ماكس بلانك في فجر القرن العشرين، جعل من الإشعاع الحراري ــ نقل الحرارة عبر الموجات الكهرومغناطيسية ــ أحد أعمدة الفيزياء الحديثة.

كل هذه المبادئ ترشد تصميم المواد الحديثة. ومع ذلك، فإن ما يبدو جديدًا اليوم ليس المعادلات، بل المنسوجات. على مدى العقدين الماضيين، طور المهندسون أليافًا صناعية رفيعة للغاية تحبس الحرارة بشكل أكثر كفاءة، كما طوروا معالجات تجعل الزغب الطبيعي يطرد الماء بدلاً من امتصاصه. لقد صمموا أغشية قابلة للتنفس مليئة بالمسام الصغيرة التي تسمح للعرق بالهروب، وطبقات عاكسة رقيقة تعكس حرارة جسمك نحوك، وطلاءات تخزن الحرارة وتطلقها مع تغير درجة الحرارة، ومواد خفيفة للغاية.

تمنح هذه الابتكارات معًا المصممين تحكمًا أكبر بكثير في الدفء والتهوية والراحة أكثر من أي وقت مضى. ولهذا السبب تبدو السترات الآن أكثر دفئًا وأخف وزنًا وجفافًا من أي شيء كان يمكن أن يتخيله نيوتن أو فورييه.

فخ لا يزال الهواء، وإبطاء التسرب

التوصيل هو التدفق المباشر للحرارة من جسمك الدافئ إلى محيطك الأكثر برودة. في الشتاء، كل تلك الحرارة الخارجة من جسمك تجعلك تشعر بالبرد. يحارب العزل التوصيل عن طريق حبس الهواء في شبكة من الجيوب الصغيرة، مما يؤدي إلى إبطاء هروب الحرارة. فهو يحافظ على ثبات الهواء ويطيل المسار الذي يجب أن تتخذه الحرارة للخروج.

يشكل الجزء السفلي المرتفع مجموعات واسعة ورقيقة من الريش التي تخلق الحجم داخل سترة منتفخة. إلى جانب الألياف الاصطناعية الحديثة، يمنع الجزء السفلي الهواء الدافئ من الحركة ويبطئ خروجه. أنواع جديدة من الأقمشة الممزوجة بمواد خفيفة للغاية مسامية تسمى aerogels تحتوي على المزيد من العزل في طبقات رفيعة بشكل مدهش.

ترويض الريح، وحماية الطبقة الحدودية

تحتاج السترة الشتوية الجيدة أيضًا إلى مقاومة الرياح، التي يمكن أن تجرد الطبقة الرقيقة من الهواء الدافئ التي تتشكل حولك بشكل طبيعي. سترة ذات غلاف خارجي جيد تمنع حركة ضخ الرياح بقماش منسوج بإحكام يحافظ على الحرارة. تحتوي بعض السترات أيضًا على طبقة خارجية من التصفيح تمنع دخول الماء والهواء البارد، ونمط منسوج يغلق أي مسارات قد تتسرب منها الحرارة حول الأصفاد، والأطراف، والقلابات، والياقات.

طبقة الغشاء الخارجي في العديد من أغلفة السترات مقاومة للماء وقابلة للتنفس. فهو يمنع دخول المطر والثلج، كما يسمح للعرق بالهروب على شكل بخار ماء. تعتبر هذه الميزة أساسية لأن العزل، مثل الزغب، يتوقف عن العمل إذا تعرض للبلل. يفقد زغبه ولا يمكنه حبس الهواء، مما يعني أنك تبرد بسرعة.

تمنع هذه الأصداف أيضًا الرياح، مما يحمي فقاعة الهواء الدافئ التي يخلقها جسمك. من خلال إيقاف الرياح والماء، يخلق الغلاف مساحة هادئة وجافة للعزل للقيام بعمله ويبقيك دافئًا.

حيل جديدة لعكس حرارة الأشعة تحت الحمراء

حتى في الهواء الساكن، يتخلص جسمك من الحرارة عن طريق إصدار موجات غير مرئية من الطاقة الحرارية. تعالج السترات الحديثة هذه المشكلة باستخدام أنواع جديدة من القماش والتكنولوجيا التي تجعل السطح الداخلي للسترة يعكس حرارة جسمك نحوك. يتميز هذا النوع من الأسطح بتأثير بطانية خافت يضيف دفءًا ملحوظًا دون إضافة أي حجم.

ومع ذلك، فإن كيفية تطبيق مصنعي السترات لتلك المواد العاكسة أمر مهم. إن طلاء المادة بأكملها بطبقة معدنية من شأنه أن يعكس الكثير من الحرارة، لكنه لن يسمح للعرق بالهروب، وقد ترتفع درجة حرارتك.

تستخدم بعض البطانات نمط النقاط الدقيقة: النقاط العاكسة ترتد الحرارة بينما تحافظ الفجوات بينها على المادة قابلة للتنفس وتسمح للعرق بالهروب.

هناك طريقة أخرى تنقل هذه التقنية إلى الجزء الخارجي من الملابس. تضيف بعض التصميمات نمطًا من المواد العاكسة إلى الغلاف الخارجي لمنع الحرارة من الانتشار في الهواء البارد.

وعندما تكون تلك النقاط الخارجية داكنة اللون، فإنها يمكنها أيضًا امتصاص لمسة من الدفء من الشمس. يشبه هذا التأثير طلاءات النوافذ التي تحافظ على الحرارة بالداخل مع الاستفادة من ضوء الشمس لإضافة المزيد من الحرارة.

الدفء مهم فقط إذا بقيت جافًا. العرق الذي لا يستطيع الهروب يبلل الطبقة العازلة للسترة ويسرع من فقدان الحرارة. ولهذا السبب تجمع أفضل الأنظمة الشتوية بين الأقمشة الداخلية الماصة للرطوبة وخيارات التنفيس والأغشية التي تسمح مسامها ببخار الماء بالهروب مع إبقاء الماء السائل خارجًا.

ما هو قادم

يظل وصف المكان الذي تنتقل فيه الحرارة عبر المنسوجات أمرًا صعبًا، لأنه، على عكس الضوء أو الكهرباء، تنتشر الحرارة عبر كل شيء تقريبًا. لكن الأنواع الجديدة من المواد والأسطح الفريدة ذات الأنماط فائقة الدقة تسمح للعلماء بالتحكم بشكل أفضل في كيفية انتقال الحرارة عبر المنسوجات.

تعد إدارة الدفء في الملابس جزءًا من تحدي أوسع لإدارة الحرارة في الهندسة التي تشمل الرقائق الدقيقة ومراكز البيانات والمركبات الفضائية وأنظمة دعم الحياة. لا توجد حتى الآن سترة شتوية عالمية تناسب جميع الظروف؛ معظم الملابس سلبية، مما يعني أنها لا تتكيف مع بيئتها. نحن نرتدي ملابسنا لليوم الذي نعتقد أننا سنواجهه.

لكن بعض الباحثين الهندسيين يعملون على منسوجات تتكيف مع البيئة. تخيل الأقمشة التي تفتح فتحات مجهرية مع ارتفاع الرطوبة، ثم تغلقها مرة أخرى في الهواء الجاف المر. بطانات الصورة التي تعكس المزيد من الحرارة تحت أشعة الشمس الحارقة وأقل في الظلام. أو دور علوي ينتفخ عندما تكون بالخارج في البرد ويسترخي عندما تدخل إلى الداخل. إنه مثل زي الخيال العلمي الذي أصبح عمليًا: الملابس التي تستشعر وتقرر وتعيد تشكيل نفسها بمهارة دون أن تلمس سحابًا على الإطلاق.

لا تحتاج السترات اليوم إلى قانون جديد للديناميكا الحرارية حتى تعمل – فهي تجمع بين الفيزياء الأساسية واستخدام مواد مصممة بدقة وأقمشة حرارية مصنوعة خصيصًا للحفاظ على الحرارة. وهذا الزواج هو السبب في أن ملابس الشتاء اليوم تبدو وكأنها قفزة إلى الأمام.

تم إعادة نشر هذا المقال من The Conversation، وهي منظمة إخبارية مستقلة غير ربحية تقدم لك حقائق وتحليلات جديرة بالثقة لمساعدتك على فهم عالمنا المعقد. كتب بواسطة: لونججي كوي، جامعة كولورادو بولدر و وان شيونغ، جامعة كولورادو بولدر

اقرأ المزيد:

لا يعمل المؤلفون أو يستشيرون أو يمتلكون أسهمًا في أي شركة أو مؤسسة أو يتلقون تمويلًا منها قد تستفيد من هذه المقالة، ولم يكشفوا عن أي انتماءات ذات صلة بعد تعيينهم الأكاديمي.